1.1. KSZTAŁTOWANIE KLIMATU POMIESZCZEŃ

Transkrypt

1 13 1. WSTĘP 1.1. KSZTAŁTOWANIE KLIMATU POMIESZCZEŃ Prawidłowe określenie wymaganych parametrów klimatu i innych potrzeb cieplnych w budownictwie daje podstawę do wkomponowania odpowiednich instalacji w obiekt budowlany. Szkic koncepcyjny (rys. 1.1) prezentuje uzbrojenie budynku w instalacje uczestniczące w kształtowaniu klimatu i w zaspokajaniu innych potrzeb pomieszczeń. Instalacje klimatyzacyjne do zapewnienia korzystnych parametrów cieplnych środowiska wewnętrznego wymagają szczególnej kompetencji i rozwagi w projektowaniu oraz użytkowaniu, z powodu ich znaczącego wpływu na odczucia człowieka, zapotrzebowanie energii i narażenie bezpieczeństwa osób. Pojęcia, wyposażenie instalacji w odpowiednie elementy i ich funkcje opisane są w szczegółowych rozdziałach (Spis treści). Rys Schemat ideowy instalacji klimatyzacyjnych obiektu z uwzględnieniem poszanowania energii [3] Znaczący wkład w zagrożenia wnoszą instalacje do realizacji lewobieżnych obiegów termodynamicznych pomp ciepła i ziębiarek. Wewnątrz nich występują bo-

2 14 wiem substancje szkodliwe dla atmosfery, ponadto wzrasta efekt cieplarniany Ziemi, szczególnie w aglomeracjach miejskich z powodu wykorzystywania do napędu energii, głównie elektrycznej. Obiegi lewobieżne do zmiany temperatury i wilgotności, powszechnie wykorzystywane w technice uzdatniania powietrza, wiążą się z techniką osiągania i utrzymywania temperatur obniżanych oraz podwyższanych w stosunku do temperatury początkowej ciał obserwowanych lub do ich otoczenia, co opisują odpowiednie procesy (rys. 1.2). Rys Zespół środków uczestniczących w procesach lewobieżnych ziębiarek i pomp ciepła [8] Jeśli np. w procesie obniżania lub utrzymywania obniżonej temperatury jakiegoś ciała (np. powietrza) w stosunku do otoczenia uczestniczą tylko substancje otoczenia naturalnego, np. płyny C3 (woda lub powietrze otoczenia naturalnego), to mamy do czynienia z chłodzeniem naturalnym (lub krótko: chłodzeniem). Jeśli natomiast w procesie przejmowania ciepła od ciała, np. obniżania lub utrzymywania jego temperatury, uczestniczą substancje o temperaturze obniżonej, w stosunku do temperatury otoczenia naturalnego, w sposób sztuczny, np. przez realizację lewobieżnego obiegu termodynamicznego, to mamy do czynienia z chłodzeniem sztucznym (lub krótko: ziębieniem). Procesom i instalacjom do ziębienia towarzyszą równocześnie instalacje do chłodzenia (instalacje chłodni-

3 cze z wodą lub powietrzem chłodzącym skraplacz), a w pompach ciepła również do ogrzewania (grzewcze). Współczesny budynek w celu utrzymania właściwego mikroklimatu oraz odpowiedniego komfortu wyposażony jest w wiele różnych instalacji technicznych. Powietrze 15 Rys Schemat ideowy podstawowych instalacji ziębniczych, chłodniczych i grzewczych w obiektach komunalnych

4 16 Należą do nich instalacje: elektryczna, grzewcza, kanalizacyjna, wentylacyjna (klimatyzacyjna), wodociągowa, chłodnicza względnie ziębnicza. Schemat ideowy budynku wraz z wymienionymi instalacjami przedstawiono na rys Zastosowania praktyczne i formułowane wymagania bezpieczeństwa Warunki bezpieczeństwa określa zespół przepisów, zakazów oraz ostrzeżeń przed niewłaściwym postępowaniem z instalacjami, wypełnionymi ziębnikami (C2), charakteryzującymi się właściwościami, które stwarzają zagrożenie dla zdrowia i mienia. Sformułowano je na podstawie badań przeprowadzonych w renomowanych i uznawanych laboratoriach naukowych. Na tej podstawie wszystkie czynniki ziębnicze (ziębniki refrigerants) zakwalifikowano w międzynarodowych opracowaniach normalizacyjnych EN 378 i w normie ISO 5149 do trzech grup klasyfikacyjnych o wzrastającej skali zagrożenia (L1, L2, L3) uwzględniających toksyczność (w tym także wypieranie tlenu) oraz palność (w tym także wybuchowość). a) b) Rys Skojarzenie instalacji klimatyzacyjnej (ziębniczo-grzewczej) odpowiednio do wymagań dla pomieszczenia kategorii A z ziębnikiem L1: a) system bezpośredni, b) system pośredni

5 Dla powyższych grup ziębników sformułowane zostały obowiązujące ograniczenia stosowalności uzależnione od kategorii pomieszczeń A, B, C, w których rozmieszcza się instalacje systemów ziębienia lub ogrzewania. Napełnienie masą ziębnika z grupy L1 w instalacji systemu bezpośredniego (rys. 1.4a) lub równoważnego mu pośredniego typu otwartego, ulokowanego wewnątrz pomieszczenia kategorii A, nie może przekroczyć wartości dopuszczalnej (obliczeniowej) do osiągnięcia granicy stężenia w razie nieszczelności. Jeżeli ten warunek nie może być spełniony, należy zastosować inne rozwiązania projektowe. Jednym z nich jest odpowiedni system pośredni zamknięty (rys. 1.4b) kosztow- 17 Rys Instalacja klimatyzacyjna z klimatyzatorami wentylatorowymi podłogowymi podokiennymi

6 18 niejszy, mniej korzystny energetycznie, ale odpowiadający wymaganiom bezpieczeństwa. Szkice rysunkowe (rys. 1.4) wyjaśniają różnice pomiędzy systemami. W systemie pośrednim występuje dodatkowy wymiennik ciepła oziębiacz wody (water chiller) zwiększający koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. W wykonaniu praktycznym system zaopatrzenia w powietrze uzdatniane klimatyzacyjnie z klimatyzatorami wentylatorowymi (podłogowymi podokiennymi) może być zrealizowany tak jak to przedstawiono na rys Wykres h-x powietrza wilgotnego Narzędziem pomocniczym do rozwiązywania zagadnień występujących w praktyce klimatyzacyjnej, a w szczególności do obliczania bilansów procesów służą wykresy wilgotnego powietrza. W Europie przyjął się powszechnie wykres w układzie dwóch współrzędnych entalpia właściwa zawartość wilgoci h-x (wykres Molliera), który powstał na postawie odpowiednich zależności termodynamicznych (h entalpia właściwa, x zawartość wilgoci, patrz rozdz. 4). Podstawą sporządzania wykresu h-x Molliera są wzory do obliczenia entalpii właściwej powietrza wilgotnego zamieszczone poniżej. Przy założeniu własności gazu doskonałego powietrza suchego i pary wodnej dla p = p atm = const dwa parametry stanu (t, x) wystarczą do termodynamicznego (kalorycznego) określania stanu powietrza na płaszczyźnie wykresu h-x. Równania entalpii właściwej formułowane dla obszarów: 1) powietrza nienasyconego wilgocią oraz 2) powietrza z mgłą wodną i 3) powietrza z mgłą lodową, przedstawiają się następująco: 1) h( c t c t r x 1+ x) = 10 pg + pw +, φ,, (, 0 ) 2) h( c t c t r x c t x x 1+ ) = + ( + 0 ) +, mgła wodna,, ( ) x pg pw n m n 3) h( c t c t r x r c t x x 1+ ) = + ( + 0 ) ( ), mgła lodowa,, ( ) x pg pw n l l n gdzie: cpg t przy t = 0 [ C], 0 średnia właściwa pojemność cieplna przy p = const (średnie ciepło właściwe) powietrza suchego przy stałym ciśnieniu odczytywana z tablic dla: 0 [ C] oraz t [ C] i obliczona jako wartość średnia arytmetyczna.,, [ ] kj 0 1, 0036, kg K c pgt = C

7 przy t = 0 [ C] c pw t, 0 właściwa pojemność cieplna (średnie ciepło właściwe) pary wodnej przy p = const w granicach temperatur od 0 [ C] do t [ C], r 0 ciepło utajone odparowania wody w temperaturze 0 [ C], [kj/kg]. c pw,, kj kg K kj r 0 = r t = 0 [ C] 2500 kg Na takim wykresie w układzie osi współrzędnych rozwartokątnym h-x można dokonywać analizy procesów zachodzących podczas uzdatniania powietrza. Odcinki na wykresie reprezentują podstawowe składniki równania entalpii powietrza wilgotnego nienasyconego o stanie A. A B c p,w t x c dodatek entalpii właściwej przegrzania pary wodnej, B C c p,g t entalpia właściwa powietrza suchego o temperaturze t A, C D r 0 x c dodatek entalpii właściwej z odparowania wody (t = 0 C). 19 Rys Wykres powietrza wilgotnego w układzie rozwartokątnym osi h-x

8 20 W literaturze głównie angloamerykańskiej dość rozpowszechniony jest wykres w układzie współrzędnych: temperatura zawartość wilgoci. 1. Entalpia właściwa określana jest dla powietrza wilgotnego nasyconego 2. Zamiast ε jest wskaźnik kierunkowy SHF (Sensible Heat Factor), gdzie: SHF= Φ j Φc [ ] h= h 1 +xn. dla x = const Φ c = Φ j, SHF = 1,0. 3. Wykres Carriera różni się od wykresu Molliera tym, że wskaźnik kierunkowy określa się stosunkiem strumienia ciepła jawnego do strumienia ciepła całkowitego. Oznacza to, że gdy ciepło jawne Φ j = 0, to SHF = 0, gdy w strumieniu powietrza nie ma zmiany wilgoci, to Φ c = Φ j i SHF = 1,0. Zatem podziałka wskaźnika kierunkowego zmienia się od wartości 1,0 do 0. Każda prosta równoległa do x = const ma SHF = 1,0. Każda prosta równoległa do temperatury t s suchego termometru ma SHF = Entalpia właściwa powietrza jest liczona i naniesiona na wykres według wartości dla powietrza nasyconego parą wodną, a więc dla x = x n. Ponieważ linie stałej entalpii naniesione na wykres w obszarze nienasyconym dotyczą wartości h1+ xn, trzeba wprowadzać poprawki dla powietrza uwzględniające różnice w zawartości wilgoci według tablic podanych przez Carriera. Rys Uproszczony wykres Carriera powietrza wilgotnego